manual de simulaÇÃo computacional de edifÍcios com...
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CENTRO TECNOLÓGICO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL
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Laboratório de Eficiência Energética em Edificações
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MANUAL DE SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DE
EDIFÍCIOS COM O USO DO OBJETO GROUND
DOMAIN NO PROGRAMA ENERGYPLUS
Leonardo Mazzaferro, Msc.
Ana Paula Melo, Dra.
Roberto Lamberts, PhD.
Florianópolis, novembro de 2015.
INFORMAÇÕES GERAIS
Este manual foi elaborado com o objetivo de auxiliar o usuário do
programa EnergyPlus a inserir os parâmetros necessários para simular
edificações em contato com o solo. A elaboração do manual baseou-se nos
resultados de simulações computacionais e nos documentos Engineering
Reference, Auxiliary Programs e Input/Output Reference, fornecidos pelo
programa EnergyPlus. O manual descreve os dados de entrada necessários,
de forma clara e objetiva, para considerar a influência do contato com o solo
em simulações de edificações.
SUMÁRIO
1. O programa computacional EnergyPlus .............................................. 5
2. Site:GroundTemperature ..................................................................... 7
2.1. Site:GroundDomain:Slab ............................................................... 7
2.1.1. Name ...................................................................................... 7
2.1.2. Ground Domain Depth ............................................................ 7
2.1.3. Aspect Ratio ........................................................................... 7
2.1.4. Perimeter Offset ...................................................................... 7
2.1.5. Soil Thermal Conductivity ....................................................... 7
2.1.6. Soil Density ............................................................................. 8
2.1.7. Soil Specific Heat .................................................................... 8
2.1.8. Soil Moisture Content Volume Fraction .................................. 8
2.1.9. Soil Moisture Content Volume Fraction at Saturation ............. 8
2.1.10. Type of Undisturbed Ground Temperature Object ................ 8
2.1.11. Name of Undisturbed Ground Temperature Object .............. 9
2.1.12. Evapotranspiration Ground Cover Parameter ....................... 9
2.1.13. Slab Boundary Condition Model Name ................................. 9
2.1.14. Slab Location ...................................................................... 10
2.1.15. Slab Material Name ............................................................ 10
2.1.16. Horizontal Insulation ........................................................... 10
2.1.17. Horizontal Insulation Material Name ................................... 10
2.1.18. Horizontal Insulation Extents .............................................. 10
2.1.19. Perimeter Insulation Width .................................................. 10
2.1.20. Vertical Insulation ............................................................... 10
2.1.21. Vertical Insulation Name ..................................................... 11
2.1.22. Vertical Insulation Depth ..................................................... 11
2.1.23. Simulation Timestep ........................................................... 11
3. Exemplo ............................................................................................. 11
3.1. GroundTemperature:Slab ............................................................ 12
3.1. GroundTemperature:Shallow ...................................................... 13
3.3. Site:GroundTemperature:Undisturbed ........................................ 14
3.4. SurfaceProperty:OtherSideConditionsModel ............................... 15
3.5. Output:Variable ........................................................................... 15
3.6 Análises dos resultados ............................................................... 16
4. Considerações finais.......................................................................... 21
5. Referências ........................................................................................ 22
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1. O programa computacional EnergyPlus
Para a elaboração deste manual, foi utilizado o programa de simulação
computacional EnergyPlus versão 8.4 (DOE, 2015). O programa EnergyPlus foi
desenvolvido através da fusão dos programas DOE-2 e BLAST pelo Lawrence
Berkeley National Laboratory (LBNL), em sociedade com outros laboratórios.
Além da geometria e dos materiais, o programa EnergyPlus permite modelar
diversos sistemas, como por exemplo: as rotinas de ocupação dos usuários, o
sistema de condicionamento de ar, o sistema de iluminação, o sistema de
ventilação natural, o contato com o solo, entre outros.
As edificações em contato com o solo, no programa EnergyPlus, podem
ser simuladas de diferentes maneiras: inserindo as temperaturas médias
mensais do solo no objeto Site:GroundTemperature:BuildingSurface; utilizando
o objeto Detailed Ground Heat Transfer que engloba dois pré-processadores:
Slab e Basement; ou ainda através do objeto Ground Domain.
Neste manual serão detalhados especificamente os parâmetros e os
procedimentos necessários para simular o contato com o solo através do objeto
Ground Domain. Este objeto é capaz de lidar com diferentes configurações de
placas de isolamento térmico, utilizando um modelo de diferenças finitas
implícito para obter as temperaturas do solo. O resultado da simulação pode
ser obtido para diferentes valores de timesteps e tamanhos de laje.
Superfícies horizontais múltiplas (lajes pertencentes a diferentes zonas
térmicas) podem ser acopladas em um mesmo domínio de solo. O domínio
consiste no conjunto dos elementos que são considerados na simulação de
superfícies em contato com o solo. São utilizadas iterações para alcançar a
convergência das temperaturas no domínio. O modelo estabelecido determina
uma superfície de área superficial equivalente dentro do domínio,
representando as superfícies horizontais acopladas ao domínio do solo. Esta
superfície interage com o solo, fornecendo temperaturas atualizadas para o
objeto OtherSideConditionsModel que são utilizadas nos cálculos de balanço
de calor da superfície.
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Este manual documenta o objeto de entrada Ground Domain, utilizado
para simular transferência de calor em superfícies horizontais em contato com
o solo, através do programa computacional EnergyPlus.
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2. Site:GroundTemperature
A classe de objetos Site:GroundTemperature no programa EnergyPlus
contém parâmetros que podem ser utilizados para a simulação de uma
edificação em contato com o solo. Um dos objetos desta classe é o
Site:GroundDomain:Slab, utilizado para edificações que possuem a laje em
contato com o solo.
2.1. Site:GroundDomain:Slab
As informações sobre os dados de entrada do objeto
Site:GroundDomain:Slab são detalhados abaixo.
2.1.1. Name
Define-se um nome para o objeto. Inserir somente letras.
2.1.2. Ground Domain Depth
Este campo define a profundidade adotada entre a superfície do solo e o
limite do domínio considerado.
2.1.3. Aspect Ratio
Este campo estabelece a razão entre a maior dimensão e a menor
dimensão da laje.
2.1.4. Perimeter Offset
Este campo define a distância entre a parede externa da edificação, que
está em contato com o solo, e o limite do domínio de solo.
2.1.5. Soil Thermal Conductivity
Este campo estabelece a condutividade térmica do solo. Deve ser
inserido um valor maior que zero. A unidade utilizada é W/(m².K).
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2.1.6. Soil Density
Este campo define a densidade do solo. Deve ser inserido um valor
maior que zero. A unidade utilizada é kg/m³.
2.1.7. Soil Specific Heat
Este campo estabelece o calor específico do solo. Deve ser um valor
maior que zero. A unidade utilizada é J/(kg.K).
2.1.8. Soil Moisture Content Volume Fraction
Este campo define um valor nominal de umidade para o solo, usado para
avaliar as propriedades térmicas do solo. A unidade utilizada é porcentagem.
2.1.9. Soil Moisture Content Volume Fraction at Saturation
Este campo estabelece um valor nominal de umidade para o solo,
quando o solo está saturado. A unidade utilizada é porcentagem.
2.1.10. Type of Undisturbed Ground Temperature Object
Para calcular a transferência de calor de superfícies horizontais da
edificação em contato com o solo, o EnergyPlus adota 3 modelos de
temperaturas do solo não perturbadas. As temperaturas não perturbadas
equivalem às temperaturas que o solo apresentaria caso não estivesse sendo
"perturbado" por algo, como por exemplo, uma edificação. Os modelos de
temperaturas do solo não perturbadas são:
FiniteDifference: o objeto utiliza modelo de diferenças finitas para
transferência de calor que utiliza o arquivo climático para obter as
condições de contorno da superfície. No começo, é executada a
simulação anual do modelo, até que o perfil de temperatura do
solo anual alcance um comportamento periódico constante. Uma
vez que, o comportamento de equilíbrio é atingido, as
temperaturas do solo são armazenadas para serem utilizadas
durante o resto da simulação.
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KusudaAchenbach: fornece temperaturas do solo não perturbado
com base na correlação desenvolvida por Kusuda e Achenbach
(1965). A correlação utiliza três parâmetros para a temperatura do
solo na superfície, para definir uma correlação para as
temperaturas do solo não perturbadas com função da
profundidade e do tempo.
Xing: fornece uma temperatura do solo não perturbada baseada
na correlação desenvolvida por Xing (2014). A correlação é
composta por cinco parâmetros e dois modelos harmônicos. O
conjunto de dados necessários para realizar a simulação é mais
complexo.
2.1.11. Name of Undisturbed Ground Temperature Object
Neste campo deve-se inserir o nome do modelo de temperaturas do solo
não perturbadas. O nome é referente ao objeto criado a partir do modelo
escolhido de temperaturas do solo não perturbadas.
2.1.12. Evapotranspiration Ground Cover Parameter
Este campo especifica os efeitos de cobertura do solo utilizados no
modelo de evapotranspiração no balanço de calor da superfície do solo. Os
valores podem variar de 0 (superfície do solo sólida/impermeável) a 1.5
(superfície do solo altamente permeável).
2.1.13. Slab Boundary Condition Model Name
Neste campo deve-se escolher o nome do modelo de condição de
contorno. O EnergyPlus define quatro possíveis condições de contorno no
objeto SurfaceProperty:OtherSideConditionsModel, que também deve ser
criado. O tipo de modelagem a ser definido no objeto
SurfaceProperty:OtherSideConditionsModel é a GroundCoupledSurface.
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2.1.14. Slab Location
Este campo possibilita definir a laje "INGRADE" (superfície superior da
laje no mesmo nível da superfície do solo) ou "ONGRADE" (superfície inferior
da laje no mesmo nível da superfície do solo).
2.1.15. Slab Material Name
Inserir o nome do material utilizado para a construção da laje. Aplicável
somente em situações INGRADE.
2.1.16. Horizontal Insulation
Este campo determina a presença ou não de isolamento térmico
horizontal na laje. Inserir "YES" neste campo caso haja presença de isolamento
térmico horizontal na laje ou inserir "NO" em caso contrário.
2.1.17. Horizontal Insulation Material Name
Inserir o nome do material utilizado para representar o isolamento
térmico horizontal da laje.
2.1.18. Horizontal Insulation Extents
Este campo indica se o isolamento térmico horizontal da laje cobre a
totalidade da área da laje (FULL) ou somente seu perímetro (PERIMETER).
2.1.19. Perimeter Insulation Width
Este campo indica a largura do isolante térmico presente no perímetro
da laje, medido a partir da borda da laje. O intervalo de valores válido é de zero
até a metade da menor dimensão da laje.
2.1.20. Vertical Insulation
Este campo determina a presença ou não de isolamento térmico vertical
na laje. Inserir "YES" neste campo caso haja presença de isolamento térmico
vertical na laje ou inserir "NO" em caso contrário.
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2.1.21. Vertical Insulation Name
Inserir o nome do material utilizado para representar o isolamento
térmico vertical da laje. Este campo só é necessário em caso de isolamento
térmico vertical.
2.1.22. Vertical Insulation Depth
Este campo indica a profundidade do isolamento térmico vertical, medida
em metros, a partir da superfície do solo. Este valor deve ser superior à
espessura da laje e inferior à profundidade do domínio considerado.
2.1.23. Simulation Timestep
Este campo define o timestep da simulação referente ao contato com o
solo, ou seja, indica se as temperaturas do domínio são atualizadas a cada
timestep (definido no IDF) ou em intervalos horários.
3. Exemplo
Para a aplicação do objeto Ground Domain no programa EnergyPlus, foi
utilizada uma edificação residencial unifamiliar (Figura 01), de um pavimento
tipo, com as seguintes características:
- Dimensões: 6 m x 6 m x 4,32 m (pé direito de 2,80 m)
- Cinco zonas térmicas: sala, banheiro, quarto 01, quarto 02, ático
- Clima: arquivo climático de Florianópolis (TRY 1963)
- Ventilação: ventilada de acordo com a temperatura de setpoint
- Temperatura de setpoint da ventilação: 20ºC
- Piso: laje maciça de concreto 100 mm e piso cerâmico
- Parede externa e interna: argamassa 25 mm, tijolo 8 furos cerâmico
100 mm, argamassa 25 mm
- Cobertura: telha cerâmica 10 mm
- Vidro: simples 3mm
- Orientação: quartos com orientação norte e sala com orientação sul
- Sombreamento: beiral de 50 cm
- Ocupação: 4 pessoas, 2 em cada quarto
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- Atividade metabólica: no quarto 80 Watts/pessoa; na sala 110
Watts/pessoa)
- Schedules de ocupação quartos:
- Dias de semana: 23h00 às 7h00
- Finais de semana: 24h00 às 8h00
- Schedules de ocupação sala:
- Dias de semana: 08h00 às 12h00
- Finais de semana: 09h00 às 23h00
- Iluminação: 44 Watts nos quartos e 29 Watts na sala
- Equipamentos: 161 Watts nos quartos e 90 Watts na sala
Figura 01. Modelo 3D da edificação unifamiliar adotada.
No estudo de caso, duas simulações foram realizadas para analisar a
influência da temperatura do solo na edificação, de acordo com o objeto
Ground Domain. Na primeira simulação, foi utilizado o método de
FiniteDifference. Na segunda simulação, foi adotado o método de
KusudaAchenbach. O método de Xing não foi utilizado neste exemplo pois
necessita de um maior detalhamento nas propriedades do solo e modelagem.
3.1. GroundTemperature:Slab
Este objeto engloba os parâmetros detalhados acima (Figura 02).
Primeiramente, define-se um nome para o objeto. Em seguida, devem ser
inseridas as características geométricas da laje e as propriedades referentes
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ao solo. Nos campos destacados em azul, deve-se definir o modelo de
temperaturas não perturbadas do solo e as condições de contorno da laje em
contato com o solo.
Figura 02. Site:GroundTemperature:Slab
3.1. GroundTemperature:Shallow
Os dados de entrada referentes às temperaturas do solo foram inseridos
de acordo com os valores de temperaturas mensais do solo a 0,5 metros de
profundidade (selecionados a partir do arquivo climático de Florianópolis), no
objeto Site:GroundTemperature:Shallow. Estas temperaturas são utilizadas
pelos modelos de temperaturas não perturbadas para a realização dos cálculos
de transferência de calor entre a laje e solo. A Figura 03 abaixo apresenta os
valores de temperatura do solo utilizados no exemplo.
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Figura 03. Site:GroundTemperature:Shallow.
3.3. Site:GroundTemperature:Undisturbed
Neste objeto é definido o modelo de temperaturas não perturbadas do
solo para a simulação. As principais propriedades termo físicas (densidade,
calor específico e condutividade) do solo são definidas neste objeto. Foram
adotados os valores default sugeridos pelo programa EnergyPlus para
caracterizar o solo. Pode-se escolher entre três modelos: FiniteDifference,
KusudaAchenbach e Xing. Neste exemplo, são abordados os dois primeiros
modelos, de acordo com a Figura 04 e a Figura 05 abaixo.
Figura 04. Site:GroundTemperature:Undisturbed:FiniteDifference
Figura 05. Site:GroundTemperature:Undisturbed:KusudaAchenbach
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3.4. SurfaceProperty:OtherSideConditionsModel
Neste objeto é definida a modelagem das condições de contorno válidas
para a superfície de contato entre a laje e o solo (Figura 6).
Figura 06. SurfaceProperty:OtherSideConditionsModel
É importante destacar que os dados de entrada de cada superfície
(objeto BuildingSurface:Detailed) estejam vinculados com o método de
modelagem adotado, conforme demonstrado na Figura 07.
Figura 07. BuildingSurface:Detailed
3.5. Output:Variable
Para a análise dos resultados, foram solicitadas quatro variáveis (Figura
8). As variáveis escolhidas no exemplo foram: Site Outdoor Air Drybuld
Temperature (temperatura de bulbo seco do ar externo), Zone Operative
Temperature (temperatura operativa da zona analisada), Zone Coupled Surface
Temperature (temperatura da superfície acoplada a zona) e Zone Coupled
Surface Heat Flux (fluxo de calor da superfície acoplada a zona).
Figura 08. Output:Variable
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3.6 Análises dos resultados
A simulação foi realizada para o ano inteiro e depois foram analisados
especificamente três dias no verão (07/02 a 09/02), e três dias no inverno
(15/06 a 17/06). Estes períodos foram selecionados, pois apresentam os
maiores e menores valores de temperatura da superfície de contato entre a laje
e o solo. As simulações foram executadas através de dois métodos:
FiniteDifference e KusudaAchenbach.
Para cada método, estão expostos os resultados obtidos através da
adoção de dados de entrada default do objeto GroundDomain ou através da
utilização de dados de entrada recomendados para o solo (inclusive utilizados
como default pelo pré-processador Slab do EnergyPlus). Os resultados do
método FiniteDifference serão apresentados abaixo, seguidos dos resultados
referentes ao método KusudaAchenbach. Primeiramente, foram obtidas as
temperaturas externas de bulbo seco e as temperaturas operativas da sala.
Figura 09. Temperatura externa de bulbo seco e temperatura operativa interna da sala - Verão
- Método FiniteDifference.
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Figura 10. Temperatura externa de bulbo seco e temperatura operativa interna da sala -
Inverno - Método FiniteDifference.
Pode-se observar que, através da utilização dos valores default, são
obtidos resultados de temperatura ligeiramente inferiores no verão e
praticamente equivalentes no inverno, quando comparados aos resultados
obtidos com a utilização de valores recomendados (Slab). A mesma tendência
é encontrada na Figura 11 e na Figura 12.
Figura 11. Temperatura externa de bulbo seco e temperatura operativa interna da sala - Verão
- Método KusudaAchenbach.
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Figura 12. Temperatura externa de bulbo seco e temperatura operativa interna da sala -
Inverno - Método KusudaAchenbach.
O fluxo de calor através do piso e as temperaturas da superfície de
contato entre o solo e laje também foram analisados para o período de verão e
para o período de inverno. Os resultados podem ser observados na Figura 13 e
na Figura 14, respectivamente.
Figura 13. Fluxo de calor e temperatura da superfície de contato - Verão - Método
FiniteDifference.
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Figura 14. Fluxo de calor e temperatura da superfície de contato - Inverno - Método
FiniteDifference.
Pode-se observar que, através da adoção dos valores default, foram
obtidos resultados de temperatura menores para a superfície de contato entre
solo e laje no verão, quando comparados aos resultados obtidos com a
utilização de valores recomendados (Slab), e resultados praticamente
equivalentes no inverno. No verão, temperaturas menores da superfície de
contato (entre solo e laje) acarretam em uma maior diferença de temperatura
entre a edificação e o domínio do solo, resultando em maiores valores de fluxo
de calor entre os mesmos.
Os fluxos de calor mais elevados durante o verão justificam as
temperaturas operativas ligeiramente inferiores (Figura 09 e Figura 11)
encontradas para a sala do modelo que utiliza os valores default.
Consequentemente, devido aos fluxos de calor inferiores entre solo e laje, o
modelo que adota os valores recomendados (Slab) apresenta temperaturas
operativas ligeiramente superiores durante os períodos quentes do ano.
Quando o fluxo de calor apresenta valores positivos, significa que a
superfície de contato entre laje e solo está recebendo calor proveniente da
edificação. Sendo assim, para o período de verão, ao longo dos três dias
analisados, pode-se observar que a edificação perde calor para o solo. Os
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valores máximos (picos) de fluxo de calor da edificação para o solo foram
encontrados no final da tarde, período em que a edificação ainda apresenta
temperaturas internas elevadas. Especialmente no período de verão (Figura
13), percebe-se que a temperatura da superfície de contato, entre a laje e o
solo, varia de acordo com o aumento ou diminuição do fluxo de calor
encontrado. Ao longo do inverno (Figura 14), a transferência de calor entre a
edificação e solo apresenta um comportamento diferente. Analisando os
resultados, percebe-se que o fluxo de calor teve seu sentido invertido. Por
apresentar fluxo de calor negativo durante o período analisado de inverno, a
edificação recebe calor do solo, ou seja, a superfície de contato cede calor para
a edificação. Apesar da utilização de métodos diferentes, a mesma tendência
explicada neste parágrafo é observada na Figura 15 e na Figura 16.
Figura 15. Fluxo de calor e temperatura da superfície de contato - Verão - Método
KusudaAchenbach.
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Figura 16. Fluxo de calor e temperatura da superfície de contato - Inverno - Método
KusudaAchenbach.
A análise dos resultados também permite perceber diferenças obtidas
entre os dois modelos de cálculo abordados pelo exemplo: FiniteDifference e
KusudaAchenbach. No verão, o método de KusudaAchenbach apresentou
valores superiores de fluxo de calor em relação ao método de FiniteDifference.
Esta diferença pode ser verificada comparando-se os valores de fluxo
apresentados pela Figura 13 (FiniteDifference) e na Figura 15
(KusudaAchenbach).
4. Considerações finais
Este manual foi desenvolvido com o objetivo de auxiliar o usuário do
programa EnergyPlus a inserir parâmetros para simular edificações em contato
com o solo através do objeto GroundDomain:Slab. Os dados de entrada
necessários foram detalhados através da aplicação de um exemplo para uma
edificação residencial. A análise dos resultados do exemplo possibilitou
verificar a influência da escolha dos métodos adotados (FiniteDifference ou
KusudaAchenbach) e a definição dos valores para os parâmetros referentes ao
solo (default ou slab) a serem utilizados na simulação.
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5. Referências
DOE – Departamento de Energia dos Estados Unidos. Programa de
simulação computacional EnergyPlus. Disponível em
http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/ Acesso em: 21 de
Outubro de 2015.
ENERGYPLUS. Engineering Reference. Fórmulas e métodos de cálculo
adotados pelo programa EnergyPlus. Versão 8.4, 2015a.
ENERGYPLUS. Auxiliary Programs. Programas auxiliares para facilitar o
uso do programa EnergyPlus. Versão 8.4, 2015b.
ENERGYPLUS. Input/Output Reference. Dados de entrada e saída do
programa EnergyPlus. Versão 8.4, 2015c.
KUSUDA, T.; ACHENBACH, P. 1965. Earth Temperature and Thermal
Diffusivity at Selected Stations in the United States, ASHRAE Transactions
71(1): 61–75.
XING, L. 2014. Estimations of Undisturbed Ground Temperatures using
Numerical and Analytical Modeling. Ph.D. Diss. Oklahoma State University,
Stillwater, OK.